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1、第2章 微型计算机的基本组成电路,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,2,本章教学目的,通过回顾计算机基本组成电路，引出微机中最常用的部件名称，并掌握其工作原理，包括ALU、触发器、寄存器、存储器和总线结构等，使学生理解数据的存储与流通的原理。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,3,本章 学习要求,1.掌握 算术逻辑单元、触发器、寄存器、存储器、总线结构 存储器的类型及性能指标 随机存储器RAM的结构原理(SRAM,DRAM)，只读存储器 ROM的结构原理（PROM,EPROM,EPROM）。,2.理解 控制字、数据存储、数据流通的原理； 典型芯片的引脚及存储
2、器容量的扩展,3.了解 ASCII码及数字和大写字母AZ的ASCII码表述,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,4,本章 主要外语词汇,ALU ：Arithmetic Logical Unit，算数逻辑部件 Register：寄存器 Memory：存储器 RAM：Random Access Memory,随机存储器 ROM：Read Only Memory，只读存储器 MDR：Memory Data Register，存储器数据寄存器 MAR：Memory Address Register，存储器地址寄存器,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,5,主要内容,AL
3、U、触发器、寄存器 三态电路、总线结构 存储器,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,6,2.1 算术逻辑部件ALU,主要功能,符号,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,7,2.2 触发器,触发器(trigger)是计算机的记忆装置的基本单元，也可说是记忆细胞。触发器可以组成寄存器，寄存器又可以组成存储器。寄存器和存储器统称为计算机的记忆装置。 微型计算机所用触发器一般用晶体管元件而不用磁性元件。这是因为晶体管元件可以制成大规模的集成电路，体积可以更小些。 下面简要介绍RS触发器、D触发器和JK触发器,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,8,2.2
4、.1 RS触发器,S端一般称为置位端，使Q=1(Q=0) R端一般称为复位端，使Q=0(Q=1),2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,9,图2.3 RS触发器的符号,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,10,时标RS触发器为了使触发器在整个机器中能和其他部件协调工作，RS触发器经常有外加的时标脉冲。,CLK为时标脉冲。,无论是置位还是复位，都必须在时标脉冲端为高电位时才能进行。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,11,2.2.2 D触发器,RS触发器有两个输入端S和R。为了存储一个高电位，就需要一个高电位输入的S端；为了存储一个低电位，就需要另
5、一个高电位输入的R端。不方便。,D触发器是在RS触发器的基础上引伸出来的，它只需一个输入端口。,复位,置位,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,12,时标D触发器,时标脉冲CLK一般都是方波，在CLK处于正半周内的任何瞬间，触发器都有翻转的可能，并不能保证时序电路动作一致性。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,13,边缘触发的D触发器,为了使计算机的动作整齐划一，总是想由时标CLK来指挥整个机器的行动，采用时标边缘触发的方式就可以得到准确划一的动作。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,14,在一些电路中，有时需要预先给某个触发器置位(即置1)
6、或清除(即置0)，而与时标脉冲以及D输入端信号无关，这就是所谓预置和清除。,触发器的预置和清除,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,15,边缘触发的D触发器在计算机中常用的符号。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,16,2.2.3 JK触发器,在RS触发器前面增加两个与门，并从输出(Q和Q)到输入(与门的输入端)作交叉反馈，即可得到JK触发器。,JK触发器是组成计数器的理想记忆元件。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,17,图2.10 JK触发器,JK触发器的动作状态,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,18,JK触发器的工作
7、过程,(1) 当J=0，K=0，触发器保持闭锁状态。,(2) J=0，K=1，触发器仍处于复位状态(Q=0，Q=1)。,(3) J=1，K=0，触发器就仍处于置位状态(Q=1，Q=0)。,(4) J=1，K=1，触发器翻转,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,19,JK触发器的符号,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,20,2.3 寄存器,寄存器(register)是由触发器组成的。一个触发器就是一个一位寄存器。由多个触发器可以组成一个多位寄存器。,计数器一个计数脉冲到达时，会按二进制数的规律累计脉冲数；,常见的寄存器有：,缓冲寄存器用以暂存数据；,移位寄存器能
8、够将其所存的数据一位一位地向左或向右移；,累加器用以暂存每次在ALU中计算的中间结果。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,21,2.3.1 缓冲寄存器,其基本工作原理为：设有一个二进制数，共有4位数： X=X3X2X1X0,要存到这个缓冲寄存器(buffer)中去，此寄存器是由4个D触发器组成的。,将数据X装到寄存器中去的过程,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,22,上述缓冲寄存器的数据X输入到Q只是受CLK的节拍管理，即只要一将X各位加到寄存器各位的D输入端，时标节拍一到，就会立即送到Q去。有时想让其中的数据多留一些时间，但由于不可控之故，在CLK正前沿一
9、到就会立即被来到门口的数据X替代掉。,可控缓冲寄存器,带寄存器的装入门LOAD的缓冲寄存器,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,23,在X0端送入数据(0或1)后， 如LOAD端(以下简称为L端)为低电位，则右边的与门被阻塞，X0过不去，而原来已存在此位中的数据由Q0送至左边的与门。此与门的另一端输入从非门引来的与L端反相的电平，即高电位。所以Q0的数据可以通过左边的与门，再经或门而送达D0端。这就形成自锁，即既存的数据能够可靠地存在其中而不会丢失。,LOAD门工作原理：,如L端为高电位，则左边与门被阻塞而右边与门可让X0通过，这样Q0的既存数据不再受到自锁，而X0可以到达D0
10、端。只要CLK的正前沿一到达，X0即被送到Q0去，这时就叫做装入(LOAD)。一旦装入之后，L端又降至低电平，则利用左边的与门，X0就能自锁而稳定地存在Q0中。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,24,上面的门电路称作“L门” ：高电平时使数据装入，低电平时数据自锁在其中。,对于多位的寄存器，每位各加一套L门电路。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,25,可控缓冲寄存器的符号,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,26,2.3.2 移位寄存器,移位寄存器(shifting register)能将其所存储的数据逐位向左或向右移动，以达到计算机在运
11、行过程中所需的功能，例如用来判断最左边的位是0或1等。电路原理图如图2.16所示。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,27,图2.16 移位寄存器简化原理,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,28,CLK前沿未到 Q=Q3Q2Q1Q0=0000,左移寄存器的左移过程：,第1前沿来到 Q=0001,第2前沿来到 Q=0011,第3前沿来到 Q=0111,第4前沿来到 Q=1111,第5前沿来到，如此时Din仍为1，则Q不变，仍为1111。,当Q=1111之后，改变Din，使Din=0，如何变化？,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,29,和缓冲寄
12、存器一样，在整机运行中，移位寄存器也需要另有控制电路，以保证其在适当时机才参与协调工作。这个电路和图2.13一样，只要在每一位电路上增加一个LOAD门(L门)即可达到控制的目的。,可控移位寄存器,SHL左移(shift to the left) SHR右移(shift to the right),2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,30,2.3.3 计数器,计数器(counter)是由若干个触发器组成的寄存器，计数器也是一种寄存器,行波计数器 同步计数器 环形计数器 程序计数器,特点：能够把存储在其中的数字加1。,主要计数器有：,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷
13、强,31,行波计数器1,第1个时钟脉冲促使其最低有效位(least significant bit,LSB)加1，由0变1。第2个时钟脉冲促使最低有效位由1变0，同时推动第2位，使其由0变1。同理，第2位由1变0时又去推动第3位，使其由0变1，这样有如水波前进一样逐位进位下去。,工作原理,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,32,行波计数器2,例：下图采用JK触发器组成行波计数器工作原理J，K输入端都是悬浮，各位都处于准备翻转的状态时钟脉冲边缘（下降沿）一到，最右边的触发器就会翻转初值Q=Q3Q2Q1Q0=0000第1时钟后沿到Q=0001第2时钟后沿到Q=0010第3时钟后沿
14、到Q=0011第4时钟后沿到Q=0100第15时钟后沿到Q=1111第16时钟后沿到Q=0000,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,33,行波计数器3,图2.19 可控计数器原理,可控计数器,增加计数控制端COUNT,当COUNT为高电位时，JK触发器才可能翻转；当COUNT为低电位时就不可能翻转。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,34,环形计数器,一般用于发出顺序控制信号，在计算机控制器中是一个很重要的部件,图2.21 环形计数器的电路原理,环形计数器只有一个高电位，其它位都为0,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,35,环形计数器2,当
15、CLR端有高电位输入时，除右边第1位(LSB)外，其他各位全被置0(因清除电位CLR都接至它们的CLR端)，而右边第1位则被置1(因清除电位CLR被引至其PR端)。即开始时， Q3 Q2 Q1Q0 =0001,第一个时钟脉冲正边缘来到时，Q3 Q2 Q1Q0 =0010,第2个时钟脉冲前沿来到时，Q3 Q2 Q1Q0 =0100,第3个时钟脉冲前沿来到时，Q3 Q2 Q1Q0 =1000,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,36,图2.22 环形计数器的符号,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,37,程序计数器,可以从0开始计数，也可以将外来的数装入其中，需要C
16、OUNT输入端和LOAD门,图2.23 程序计数器,是一种行波计数器,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,38,2.3.4 累加器,累加器除了能装入及输出数据外，还能使存储其中的数据左移或右移，所以它又是一种移位寄存器。,图2.24 累加器的符号,累加器也是一个由多个触发器组成的多位寄存器，作为ALU运算过程的代数和的临时存储处。在微型计算机的数据处理中担负着重要的任务。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,39,2.4 三态输出电路,三态输出电路可以由两个或非门和两个NMOS晶体管(T1，T2)及一个非门组成,三态输出电路，又称三态门,三态门具有单向导通和三态的特性,为了使一条信号传输线能与多个触发器接通,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,40,三态输出电路2,工作原理,当ENABLE(选通端)为高电位时，两个或非门的输出状态将由于A端的电位来决定。,这就是说，在选通端(E端)为低电位时，A端和B端是不相通的，即它们之间存在着高阻状态。,
